Raspberry Pi Emulation

• 旧版 versatilepb QEMU 配置见 Raspberry Pi Guide

QEMU raspi machines

• 用途：kernel / early boot 调试，免反复刷 SD 卡
• raspi4b - QEMU 9.0+
• raspi2 / raspi3 改名为 raspi2b / raspi3b，旧名 QEMU 6.2 移除
• QEMU 文档未列出 Raspberry Pi 5 machine
• -m 必须与板卡 RAM 一致，否则 Invalid RAM size, should be ...
• 64 位 guest 用 qemu-system-aarch64；32 位用 qemu-system-arm 或 qemu-system-aarch64
• 已实现：CPU、interrupt controller、DMA、CPRMAN、system timer、GPIO、UART (AUX 16550 + PL011)、RNG、framebuffer、USB host (DWC2)、SD/MMC、thermal sensor、mailbox、VideoCore firmware property、SPI、I2C (BSC)
• 未实现：PWM；raspi4b 另缺 PCIe root port、GENET Ethernet
  • QEMU 从 BCM2711 DTB 删除 pcie、rng200、thermal、genet 节点
  • 无 PCIe → raspi4b 无 xHCI USB

Boot Raspberry Pi OS on raspi3b

• Host：Ubuntu / Debian
• 依赖：qemu-system-arm、qemu-utils、xz-utils
• 镜像：Raspberry Pi OS

xz -d 2023-05-03-raspios-bullseye-arm64.img.xz
IMG=2023-05-03-raspios-bullseye-arm64.img

# SD image size must be a power of 2
qemu-img resize -f raw $IMG 8G

# copy kernel8.img and DTBs from the first (FAT) partition
fdisk -l $IMG # Start * 512 = offset, e.g. 8192 * 512
sudo mkdir -p /mnt/image
sudo mount -o loop,offset=4194304 $IMG /mnt/image
cp /mnt/image/kernel8.img /mnt/image/bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb /mnt/image/bcm2711-rpi-4-b.dtb .

# headless: enable SSH + preset user
sudo touch /mnt/image/ssh
echo "pi:$(openssl passwd -6)" | sudo tee /mnt/image/userconf.txt
sudo umount /mnt/image

qemu-system-aarch64 -M raspi3b -m 1G -nographic \
  -kernel kernel8.img -dtb bcm2710-rpi-3-b-plus.dtb \
  -drive file=$IMG,format=raw,if=sd \
  -append "rw earlyprintk loglevel=8 console=ttyAMA0,115200 dwc_otg.lpm_enable=0 root=/dev/mmcblk0p2 rootdelay=1" \
  -device usb-net,netdev=net0 \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp:127.0.0.1:2222-:22

# in another host shell
ssh -p 2222 pi@localhost

• hostfwd=tcp::2222-:22 不写地址时监听宿主所有接口；本机调试绑定 127.0.0.1
• 未模拟板载 Ethernet，网络走模拟的 USB 网卡 usb-net
• Kernel 文件名，见 config.txt 文档
  • kernel.img Pi 1/Zero，kernel7.img Pi 2/3，kernel8.img 64 位，kernel7l.img Pi 4 32 位
  • kernel_2712.img Pi 5（无 QEMU machine）
• Bookworm+ boot 分区挂载在 /boot/firmware，并带 initramfs
• DTB：raspi3b 用 bcm2710-rpi-3-b*.dtb，raspi4b 用 bcm2711-rpi-4-b.dtb

Boot on raspi4b

qemu-system-aarch64 -M raspi4b -m 2G -nographic \
  -kernel kernel8.img -dtb bcm2711-rpi-4-b.dtb \
  -drive file=$IMG,format=raw,if=sd \
  -append "earlycon=pl011,mmio32,0xfe201000 console=ttyAMA0,115200 root=/dev/mmcblk1p2 rootwait dwc_otg.fiq_fsm_enable=0"

• raspi4b 的 root 为 mmcblk1p2（raspi3b 为 mmcblk0p2），取决于所用 kernel/DTB
• cmdline 模板来自 QEMU functional test test_raspi4.py，只检查 early boot，不是完整 SD 卡启动
• 无 GENET/PCIe，默认没有网络

Known issues

• qemu#2351 Raspberry Pi: Unable to start raspios bookworm
  • raspi3b/raspi4b 可启动 Bullseye；2024-03-15-raspios-bookworm-arm64-lite 只输出 usbnet: failed control transaction（QEMU 9.0.0）
• Akinori-Furuta/qemu-raspberrypi
  • 脚本 + dkms 驱动，在模拟的 raspi3b/raspi2b 上运行 Raspberry Pi OS Trixie/Bookworm，需要 QEMU 8.2.2+
• dhruvvyas90/qemu-rpi-kernel
  • 旧版 versatilepb kernel，Raspbian Buster/Stretch 时期

QEMU virt machine

• 通用 ARM 板，不模拟具体 Raspberry Pi 硬件
• PCI / PCIe、virtio、多核、大内存
• 用途
  • 运行 Linux / RPi OS userland
  • 学习 Linux、ARM 汇编，无需购买硬件
  • 多个 VM 节点组网，测试分布式系统
• RPi OS rootfs + 通用 arm64 kernel / initrd
  • 内核需要 virt / virtio 支持
  • 不直接使用 RPi kernel8.img
• ARM64 host：KVM / HVF

qemu-system-aarch64 -M virt -cpu cortex-a72 -smp 4 -m 4G -nographic \
  -kernel Image -initrd initrd.img \
  -append "root=/dev/vda2 console=ttyAMA0" \
  -drive file=raspios.img,format=raw,if=virtio \
  -device virtio-net-pci,netdev=net0 \
  -netdev user,id=net0,hostfwd=tcp:127.0.0.1:2222-:22

• AArch64 必须指定 -cpu（默认为 32 位 cortex-a15）
• arm64 host：-accel kvm（Linux）/ -accel hvf（macOS）配合 -cpu host

qemu-user + binfmt

• qemu-user
  • syscall 翻译，运行 ARM Linux 二进制
  • 使用宿主内核，不模拟板卡/内核
  • chroot、容器、镜像预装包；通常比整机模拟开销小
• 用途
  • 刷写前 chroot 进镜像预装软件包
  • CI 中测试 RPi OS 镜像、构建 arm64/armv7 容器镜像

# Debian/Ubuntu, Debian 13 qemu-user-static -> qemu-user + qemu-user-binfmt
sudo apt install qemu-user-static
ls /proc/sys/fs/binfmt_misc/ # qemu-aarch64, qemu-arm

# chroot into a Raspberry Pi OS image
LOOP=$(sudo losetup -Pf --show raspios.img) # first free device, e.g. /dev/loop3
sudo mkdir -p /mnt/rpi
sudo mount ${LOOP}p2 /mnt/rpi
sudo mount ${LOOP}p1 /mnt/rpi/boot/firmware # /mnt/rpi/boot before Bookworm
for d in dev proc sys; do sudo mount --bind /$d /mnt/rpi/$d; done
sudo chroot /mnt/rpi /bin/bash
# after exit
sudo umount -R /mnt/rpi && sudo losetup -d $LOOP

# containers
docker run --privileged --rm tonistiigi/binfmt --install arm64,arm
docker run --rm --platform linux/arm64 debian uname -m
docker buildx build --platform linux/arm64,linux/arm/v7 .

• binfmt_misc F - fix binary
  • 注册时打开解释器
  • chroot / mount namespace 内无需再复制 qemu-*-static
• Docker Desktop / 官方 BuildKit 已包含 QEMU
• 手动注册：kernel 4.8+、静态 QEMU、F 标志
• 编译/压缩等重计算仍明显慢于原生
• qemu-user 不支持 clone namespace flags，不能在其中运行容器运行时

Renode

• Antmicro，开源，多节点确定性模拟，支持 CI 集成
• 自定义平台：.repl

参考

• QEMU
  • www.qemu.org/docs/master/system/arm/raspi.html
  • www.qemu.org/docs/master/system/arm/virt.html
  • www.qemu.org/docs/master/system/target-arm.html
  • www.qemu.org/docs/master/user/main.html
• binfmt
  • docs.kernel.org/admin-guide/binfmt-misc.html
  • docs.docker.com/build/building/multi-platform
  • tonistiigi/binfmt
• Renode
  • Renode Official Site
  • Supported boards
• 社区
  • interrupt.memfault.com/blog/emulating-raspberry-pi-in-qemu